数字DAM中波广播发射机数据采集系统设计

榆林广播转播台 张斐 申连雄

为实现对数字DAM中波广播发射机在运行过程中产生数据的采集，并基于更高精度的数据结果实现对发射机运行状态的判断，开展对其数据采集系统的设计研究。通过滤波电路与多路模拟开关设计、A/D数模转换器选型、ARM微处理芯片选型等硬件设计和发射机运行中实时数据获取、数据处理、系统采集驱动程序等软件设计，提出一种全新的数据采集系统。通过实例应用的方式证明，新的数据采集系统在实际应用中可以实现对发射机运行中产生数据的高精度采集，将其数据采集误差降低到1.00%以下。

目前数字化广播发射机的数据采集的设备或系统相对落后，很难实现对数字化的数字DAM中波广播发射机在运行过程中产生的数据进行采集，无法实现对数据的及时、准确记录，很难实现对数字DAM中波广播发射机运行状态的实时监控和判断[1]。在当前现有采集方式中，为了确保对发射机在运行中实际情况的实时感知，保证所获取或采集的运行数据具有真实性、时效性，需要安排专人采取一对一的形式对发射机运行情况进行观察并将相关数据进行记录。而在这样长期高频、高温和高噪声的情况下，会进一步影响人工数据采集的精度和准确度。

1 系统硬件设计

针对数字DAM中波广播发射机在运行过程中产生的数据进行采集，需要确保采集系统与发射机接口电路的相互连接，并针对发生机在运行时的入射功率、反射功率、驻波比等数据进行采集，并根据得到的数据实现对发射机运行状态的实时监测[2]。为了满足上述应用需要，本文设计硬件结构如图1所示的数据采集系统。

图1 数据采集系统硬件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the hardware structure of the data acquisition system

由于数字DAM中波广播发射机所运行的环境是相对复杂的电磁环境，高速数据采集更容易受到电磁波的干扰，进而造成获取到的数据出现失真问题。考虑到这一干扰因素的存在，引入USB串行总线的方式，完成对系统中各个硬件的相互连接[3]。下面将主要针对滤波电路与多路模拟开关、A/D数模转换器和ARM微处理芯片进行详细的选型设计说明。

1.1 滤波电路与多路模拟开关设计

在数字DAM中波广播发射机运行的过程中，需要获取到的参数数据除了上述论述内容以外，还包括电压量、电流量、电阻量等，这些数据无法直接与A/D数模转换器进行连接，因此为了节约这一问题，引入如图2所示的数据信号处理及滤波电路[4]。

图2 数据信号处理及滤波电路Fig.2 Data signal processing and filtering circuit

在图2所示的电路当中，应用LC滤波器，利用该装置实现对数据传输中噪声的抑制。在对多路模拟开关进行选择时，选用ADG16060作为芯片的模拟开关，以此将多路输入转变为复用输出[5]。同时，设定ADG16060在实际应用中的复用电路与多用电路比值为17:1；电路数为1；运行中的电源电压为12V；电荷注入量为8pC。在将ADG16060应用到本文采集系统当中后，利用该装置中自带的控制锁存器能够实现与ARM微处理芯片之间的连接。同时，在系统运行过程中，ADG16060可以实现更快速地开关，通过时间可小于160ns，而闭合时间可小于150ns。

1.2 A/D数模转换器选型

在完成对滤波电路与多路模拟开关的选型设计后，基于本文数据采集系统的应用需要，对A/D数模转换器进行选型。选用AD1640型号A/D数模转换器，该型号A/D数模转换器封装/箱体为TSSOP-16格式；分辨率为12bit；结构为SAR；模拟端单元的有效输出电压在1.7V～5.25V范围内；SINAD-信噪和失真率为73dB；ADC输入端数量为8Input。在此基础上，使用该型号的转换器，利用此装置中自带的采样保持装置，将其与信号转换端进行直接通信连接。同时，将AD1640型号A/D数模转换器应用到本文系统当中时刻将其直接与CPU总线进行连接，通过AD1640型号A/D数模转换器输出数据分成高8位和低4位，完成两次并行传输。在转换的过程中，AD1640型号A/D数模转换器的转换时间为10μs，具备极高的转换速度，因此能够为本文采集系统提供更高效率的采集条件。

1.3 ARM微处理芯片选型

针对ARM微处理芯片进行选型设计说明，选用ADUC7128B型号微处理芯片，将其应用到本文数据采集系统当中。该型号微处理芯片中集成了高速缓存、写缓冲器、LCD控制器等。同时，考虑到本文此次研究选用的硬件需要具有较高的处理速度，还需要在上述设计内容的基础上，设定芯片在集成中的总线宽度在32bit～64bit范围内（具体数值根据系统运行中的设计需求设定）。设定芯片的输入端与输出端有效控制数量为在25～30 I/O范围内。为避免运行中芯片出现负载问题，可调整芯片的作业环境温度，使其运行作业环境的温度在-40℃～+125℃范围内。ADUC7128B型号微处理芯片采用ARM46840架构类型，其中包含了最高32位的微处理器，并且内部含有Thumb代码，能够更方便本文采集系统的开发应用。

2 系统软件设计

2.1 发射机运行中实时数据获取

在对数字DAM中波广播发射机在运行中产生的数据进行获取时，主要通过USB总线实现，发射机的对外接口电路当中为数据采集系统提供了外部监测和控制的接口，通过这一接口的连接不仅能够实现对信号的采集，同时还能够实现对控制器与外部设备之间提供隔离保护。为确保所获取的实时数据可以满足系统需要，需要在获取信号过程中使用PLC模拟技术，对不同时段下的输入信号进行隔离。例如，针对大功率短波信号进行一次隔离，将信号变送器与信号接收端的信号进行隔离，通过此种方式，降低实时数据在获取中对外界的干扰。

2.2 数据处理

完成对实时数据的获取后，考虑到采集的数据可能存在一定的失真性，因此，还需要在此基础上，对实时获取的数据进行处理。在处理数据时首先需要考虑的问题是数据在传输中存在的干扰问题，且发射机自身便是一个辐射端，当辐射端存在直接发出的信号后，会存在实际应用中数据信号被射频干扰，因此，对反馈信号中的射频信息进行处理，处理过程如公式(1)所示：

公式（1）中：NF表示为射频干扰信号的处理；K表示为发射机自身发出的干扰信号；M'表示为信号传输信道的稳定性；S表示为载波信号。

完成上述相关处理后，考虑到发射机运行中的环境较为复杂，且前端在高速运行过程中，可能会由于其采集频次不当出现采集数据失真等问题。在完成对数据的基础处理后，引进串行通信技术，对发射机运行数据进行双向处理，此项技术可以实现计算机网络与发射机运行的双向交互，在保证数据同步传输的基础上，对易于拓展的价值性数据进行采集。在保证所获取的数据信息具有真实性与时效性的基础上，在发射机的前板表头上进行数据的综合调控，对此过程进行描述，如公式（2）所示：

公式（2）中：P表示为前板表头实时数据的综合调控处理；ROL表示为数据响应方式；γ表示为数据频响程度；A表示为数据幅度；ε表示为双向通信模式。完成上述处理后，还需要根据数据对接收后的表达方式，进行数据格式的综合转换，将完成处理后的标准化数据使用转换器传输。在传输数据时，再使用中频发射机在接口进行运行数据的同步获取，通过此种方式，确保获取数据与处理处理保持一定的同步性。总之，在数据处理过程中，要结合数据的不同表现方式、数据中携带的噪声量、数据规模等参数，选择不同的数据处理方式，从而确保处理后的数据可以满足系统应用需要。

2.3 系统采集驱动程序设计

为实现对系统采集的驱动，设计分层结构式的驱动程序，将整个采集模块划分为高级的USB设备驱动程序和级别相对较低的USB函数层。为了能够进一步提升本文采集系统的通用性，在对其程序进行设计时，尽可能简化，并在系统当中应用能够提供程序调用的动态链接数据库。在实际驱动采集模块进行对数字DAM中波广播发射机运行数据的采集时，可直接调用该数据库当中的接口函数，实现对硬件设备的控制，从而获取数据。在实际运行过程中，系统首先进入到初始化状态，并完成对采集设备热插拔和动态参数配置。在系统上位机监测到采集设备的接入后，在数据库当中查找是否存在对应的驱动程序，并调用相关程序指导设备被正确配置位置。此时，驱动程序开始与硬件设备进行对话，由电源模块负责唤醒采集设备，由I/O模块完成I/O请求中的大部分工作，以此实现系统数据采集运行。

3 实例应用研究

上述论述中，分别从硬件层面和软件层面完成对数据采集系统的理论设计。为了进一步验证这一采集系统的实际应用可行性及应用优势，选择以某广播电视台作为依托，针对该广播电视台现运行中的数字调制中波广播发射机作为研究对象，利用上述设计的采集系统对该发生机在运行过程中产生的数据进行采集，并通过采集结果对该系统应用性能进行探究。在运行过程中，为确保采集系统运行，将5V电源作为其供电装置，并利用Delphi开发工具实现对本文数据采集系统的开发。为了验证该采集系统是否能够在广播发生机运行的高频、高温和高噪声环境中实现稳定运行，并确保采集结果的精度，对采集系统输入的电压进行调整，并在电压变化的过程中，观察得到的数据采集结果误差。其误差可通过如公式(3)所示计算得出：

公式（3）中，η表示为本文系统数据采集结果误差；m表示为采集数据集中的错误数据量；m'表示为采集数据集中总数据量。根据上述公式计算得出的结果可完成对采集系统运行中采集精度的评价：若计算得出的η值越大，则说明系统数据采集结果误差越大，系统采集精度越低；反之，η值越小，则说明系统数据采集结果误差越小，系统采集精度越高。同时，在实验过程中，为了确保对输入电压记录的数据正确，选择将精度为0.01的四位数字万用表对输入电压进行测量。根据上述论述，将相关数据信息记录，并得到如表1所示的结果。

表1 本文采集系统数据采集结果精度分析Tab.1 Accuracy analysis of the data collection results of the collection system in this paper

从表1中记录的结果可以看出，本文数据采集系统在实际应用中，随着输入电压数值的不断下降，采集误差呈现出逐渐增加的趋势，但其数值均能够控制在1.00%以下，充分满足广播电视台对于数字DAM中波广播发射机运行中数据采集的精度需要，误差部分不会影响到对数字DAM中波广播发射机运行状态的判断。同时，在实际应用中，应用了100kHz的采样时钟频率对系统进行取样，得到的转换结果中系统分辨率能够达到12位，充分满足发射机数据采集要求。因此，通过上述得出的结果能够证明，本文提出的数据采集系统在实际应用中能够实现对发射机数据的高精度采集。

4 结语

广播与人们的日常生活息息相关。在这样的背景下，对于广播行业中各个装置、设备的要求也随着人们的需求不断提升。为降低或减少在发射机运维管理工作中人力持续投入的降低，实现从人工管理模式向智能化或自动化监控模式的过渡与转型，为此，本文开展对其数字DAM中波发射机数据采集系统的设计研究。进一步提供发射机运行安全保障，应根据发射机的实际运行情况，采取有效的措施，进行发射机运行全过程的监控，并在发射机出现故障问题时，能够通过获取到的数据信息对其进行及时处理。

引用

[1] 李博.基于.NET架构的发射机健康数据管理系统设计与实现[J].广播电视信息,2022,29(3):75-79.

[2] 曲广玲.哈广GZ-G1K-V型PDM1kW中波发射机主要数据和输出网络调整[J].数字传媒研究,2020,37(12):66-68.

[3] 赵丽琴,刘家铭,刘昶,等.融合数据权重的雷达发射机健康状态评估方法[J].现代雷达,2021,43(1):58-64.

[4] 李燕平,孙惠娟.中波广播发射机实时数据采集系统的设计与应用[J].西部广播电视,2019(2):225-226.

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